بررسی تئوری و تجربی سازه سلولی جدید با تخلخل هدفمند شعاعی ساخته شده به روش ساخت افزایشی و بهینه سازی خواص مکانیکی

با توجه به پیشرفت هایی که در تکنیک های ساخت افزودنی صورت گرفته، امکان طراحی و تولید سازه های سلولی با هندسه های پیچیده با خواص مکانیکی مناسب و وزن کم فراهم آمده است و استفاده از مواد سلولی متخلخل در بسیاری از زمینه ها در حال افزایش است. در پژوهش حاضر سازه استوانه ای نوینی که در راستای شعاعی توزیع چگالی نسبی و خواص گرادیانی قابل تنظیم دارد، با الهام از ساختار استخوان طراحی و معرفی شده است. سازه سلولی در ۵لایه و از تکرار سلول واحد پایه چهاروجهی منتظم با الگوی مشخص در راستای شعاعی، محیطی و محوری حاصل شده است. با استفاده از روابط تحلیلی، خواص مکانیکی الاستیک سازه تعیین شده است. حل تئوری ارایه شده به کمک مدل سازی عددی و ساخت افزایشی نمونه پلیمری به روش سنگ چاپ سه بعدی و آزمون آن صحه گذاری شده است. مقایسه نتایج بیان گر دقت مناسب حل تئوری است. همچنین اثر متغیرهای هندسی طراحی شامل ارتفاع المان حجمی تکرارشونده، تعداد اضلاع چندضلعی آغازگر و قطر یال ها بر روی خواص مکانیکی سازه و توزیع آنها مطالعه شده است. با استفاده از الگوریتم های ژنتیک بهینه سازی تک هدفه و چندهدفه خواص الاستیک سازه انجام شده است. نتایج بهینه سازی تک هدفه در سازه هایی با تخلخل های ۷۰، ۷۵ و ۸۰% به ترتیب بهبود ۳۲/۹، ۳۵/۹۲ و ۳۵/۶۸% مقدار مدول الاستیسیته بر جرم و افزایش ۱۱۶/۳۵، ۹۶/۴۸ و۷۳/۶۲% مقادیر تنش تسلیم بر جرم در همین تخلخل ها، نسبت به سازه مبنا با تخلخل های مشابه را نشان می دهند. نتایج حاصل، بیان گر قابلیت مناسب سازه برای ایجاد توزیع متغیر خواص و تخلخل و پتانسیل کاربرد آن به عنوان بافت جایگزین استخوان مصنوعی است.

کلیدواژه ها:

Porous Cellular Material ، Radially Graded Porosity ، Additive Manufacturing ، Analytical Solution ، Finite Element Modeling ، Multi-Objective Optimization ، مواد سلولی متخلخل ، تخلخل گرادیانی شعاعی ، ساخت افزایشی ، حل تحلیلی ، مدل سازی المان محدود ، بهینه سازی چند هدفه